L'intégration des neurones dans les systèmes numériques peut permettre d'obtenir des performances irréalisables avec le silicium seul. Des réseaux neuronaux in vitro d'origine humaine ou de rongeurs sont intégrés à l'informatique in silico par le biais d'un réseau multi-électrodes à haute densité. Grâce à la stimulation et à l'enregistrement électrophysiologiques, les cultures sont intégrées dans un monde de jeu simulé, imitant le jeu d'arcade Pong.Pong est un des premiers jeux vidéo d'arcade et le premier jeu vidéo d'arcade de sport. Il a été imaginé par l'Américain Nolan Bushnell et développé par Allan Alcorn, et la société Atari le commercialise à partir de novembre 1972. Le jeu est inspiré du tennis de table en vue de dessus, et chaque joueur s'affronte en déplaçant la raquette virtuelle de haut en bas, via un bouton rotatif, de façon à garder la balle dans le terrain de jeu.
L'activité neuronale change en temps réel pour minimiser l'imprévisibilité de l'environnement
Le joueur peut changer la direction de la balle en fonction de l'endroit où celle-ci tape sur la raquette, alors que sa vitesse augmente graduellement au cours de la manche. Un score est affiché pour la partie en cours et des bruitages accompagnent la frappe de la balle sur les raquettes.
Les cultures montrent la capacité d'auto-organiser le jeu d'une manière orientée vers un objectif en réponse à des informations sensorielles éparses sur les conséquences de leurs actions, ce que les chercheurs appellent l'intelligence biologique synthétique. Les applications futures pourraient permettre de mieux comprendre les corrélats cellulaires de l'intelligence.
Dans la revue Neuron, le Dr Brett Kagan, de la société Cortical Labs, affirme avoir créé le premier cerveau « sensible » cultivé en laboratoire dans une boîte. D'autres experts qualifient ces travaux de « passionnants », mais estiment que qualifier les cellules cérébrales de « sensibles » va trop loin. « Nous n'avons pas trouvé de meilleur terme pour décrire le dispositif, déclare le Dr Kagan. Il est capable de recevoir des informations d'une source externe, de les traiter et d'y répondre en temps réel. »
L'équipe a mis au point un logiciel permettant d'émettre des critiques via des électrodes chaque fois que DishBrain manquait la balle. Cela a permis au système de s'améliorer au jeu de Pong, les chercheurs ayant observé un apprentissage en cinq minutes seulement. « L'aspect magnifique et novateur de ce travail consiste à doter les neurones de sensations - le retour d'information - et, surtout, de la capacité d'agir sur leur monde », explique le neuroscientifique Karl Friston, de l'University College London, au Royaume-Uni.
L'exploitation de la puissance de calcul des neurones vivants pour créer une intelligence biologique synthétique (IBS), auparavant confinée au domaine de la science-fiction, pourrait désormais être à la portée de l'innovation humaine. La supériorité du calcul biologique a été largement théorisée, avec des tentatives de développement de matériel biomimétique supportant le calcul neuromorphique. Pourtant, aucun système artificiel en dehors des neurones biologiques n'est capable de supporter au moins une complexité de troisième ordre (capable de représenter trois variables d'état), ce qui est nécessaire pour recréer la complexité d'un réseau neuronal biologique (BNN).
Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans la cartographie du calcul neuronal in vivo, il existe des limites techniques pour l'explorer in vitro. Les chercheurs visent à établir des BNN fonctionnels in vitro à partir de cellules souches embryonnaires de rongeurs et de cellules souches pluripotentes humaines (hiPSC) sur des réseaux multi-électrodes à haute densité (HD-MEA) afin de démontrer que ces cultures neurales peuvent faire preuve d'intelligence biologique - comme en témoigne l'apprentissage, dans un environnement de jeu simulé, de la modification de l'activité d'une manière autrement arbitraire - en temps réel.
Les chercheurs affirment que leur mini-cerveau est plus adaptable que les systèmes d'IA actuels et qu'il pourrait donc servir de base à des robots plus polyvalents.
Le Dr Kagan espère que cette technologie pourra un jour être utilisée pour tester des traitements contre des maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer. « Lorsque les gens observent des tissus dans un plat, ils voient pour l'instant s'il y a une activité ou pas. Mais le but des cellules du cerveau est de traiter les informations en temps réel », explique-t-il. « L'exploitation de leur véritable fonction ouvre de nombreux autres domaines de recherche qui peuvent être explorés de manière exhaustive. » Le Dr Kagan prévoit ensuite de tester l'impact de l'alcool sur la capacité du mini-cerveau à jouer au Pong. S'il réagit de la même manière qu'un cerveau humain, cela soulignera l'efficacité du système en tant que substitut expérimental.
La description que fait le Dr Kagan de son système comme étant sensible diffère toutefois de nombreuses définitions de dictionnaires, selon lesquelles il s'agit de la capacité d'avoir des sentiments et des sensations. Le Dr Dean Burnett, chercheur associé honoraire à l'école de psychologie de Cardiff, préfère le terme « système de pensée ». Les informations circulent et sont clairement utilisées, ce qui entraîne des changements. Le stimulus qu'ils reçoivent est donc « pensé » de manière élémentaire, explique-t-il.
« De façon remarquable, les cellules ont appris à rendre leur monde plus prévisible en agissant sur lui. C'est remarquable parce qu'il est impossible d'enseigner ce type d'auto-organisation ; tout simplement parce que - contrairement à un animal domestique - ces mini-cerveaux n'ont aucun sens de la récompense et de la punition. »
Il y a quelques années, Friston a élaboré une théorie appelée le principe de l'énergie libre, selon laquelle tous les systèmes biologiques se comportent de manière à réduire l'écart entre ce qui est attendu et ce qui est vécu - en d'autres termes, à rendre le monde plus prévisible.
Selon Friston, en ajustant ses actions pour rendre le monde plus prévisible, DishBrain fait simplement ce que la biologie fait le mieux. « Nous avons choisi Pong en raison de sa simplicité et de sa familiarité, mais aussi parce qu'il s'agit de l'un des premiers jeux utilisés dans l'apprentissage automatique, et nous voulions en tenir compte », explique Kagan.
« Un stimulus imprévisible était appliqué aux cellules, et le système dans son ensemble réorganisait son activité pour mieux jouer le jeu et minimiser le fait d'avoir une réponse aléatoire. On peut aussi penser que le simple fait de jouer le jeu, de frapper la balle et d'obtenir une stimulation prévisible, crée intrinsèquement des environnements plus prévisibles. »
Le mini-cerveau a appris à jouer en cinq minutes. Bien qu’il manquait souvent la balle, l’amas de cellules affichait des performances supérieures au taux de réussite obtenus avec des mouvements aléatoires. Néanmoins, les chercheurs ont précisé que le mini-cerveau n’avait pas conscience qu’il jouait à Pong. Les mini-cerveaux sont susceptibles de devenir plus complexes à mesure que la recherche progresse - mais l'équipe du Dr Kagan travaille avec des bioéthiciens pour s'assurer qu'ils ne créent pas accidentellement un cerveau conscient, avec toutes les questions éthiques que cela soulèverait.
« Nous devons considérer cette nouvelle technologie de la même manière que l'industrie informatique naissante, lorsque les premiers transistors étaient des prototypes peu fiables, mais qu'après des années de recherche, ils ont donné naissance à d'énormes merveilles technologiques dans le monde entier », explique-t-il. Les chercheurs en intelligence artificielle (IA) ont déjà produit des appareils capables de battre les grands maîtres aux échecs. Mais le professeur Karl Friston, de l'University College London, qui travaille avec le Dr Kagan, déclare : « Le mini-cerveau a appris sans qu'on le lui enseigne et est donc plus adaptable et flexible. »
Source : Cell
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Envoyé par Bruno
